В общем случае степень асимметрии р-n перехода характеризуется параметром, получившим название коэффициента инжек­ции . Коэффициент инжекции равен отношению большей составляю­щей тока к полному току. В случае, когда n n >>p p коэффициент инжек­ции равен

Рассмотрим далее вольт-амперную характеристику толстого пере­хода на примере так называемого p-i-n-диода. Структура такого диода представляет собой два слоя n- и р-типа, разделенных высокоомным слоем собственной проводимости толщиной d. В таком диоде уже нельзя пренебрегать процессами гене­рации и рекомбинации внутри p-n перехода. В случае, когда внешняя разность потенциалов включена в запорном направлении, в промежу­точном i-слое идет генерация носителей заряда со скоростью n i /τ i . При напряжении, включенном в прямом направлении, в этом слое идет рекомбинация инжектируемых носителей и плотность тока, связанная с генерацией и рекомбинацией носителей в промежуточном слое толщиной d равна

где τ i – время жизни собственных носителей;

n i – собственная концентрация носителей.

Полный ток, протекающий через p-i-n переход, можно рассматривать как сумму тока, рассчитанного без учета генерации и реком­бинации внутри перехода и генерационно-рекомбинационной составляющей:

Полученная формула справедлива не только в случае явно выраженного i-слоя, но и при плавном изменении концентрации примесей в области обычного р-n перехода. В этом случае роль параметра d играет общая ширина р-п- перехода. Из формулы (4.24) следует условие для определения принад­лежности данного р – n перехода к категории тонкого или толстого: если третье слагаемое в круглых скобках значительно меньше суммы первых двух, то переход можно считать тонким. В противном случае р-n переход необходимо рассматривать как толстый.

Пробой p-n перехода. С увеличением обратного напряжения на р-n пере-ходе при достижении некоторого значения напряжения U проб начинается резкое увеличе­ние тока через диод, приводящее к пробою. Средняя напряженность элек­трического поля в области объ­емного заряда р-n перехода может быть записана как

E=V/d = (q/2εε 0) 1/2 (UN D) 1/2 (4.25)

Так как пробой начинается при достижении определенного (для каждых конкретных условий) значения напряженности электрического поля E проб, то чем больше d (меньше N D), тем при большем напряже­нии U проб начинается пробой. Очевидно, наибольшее U проб имеет р-i-n переход, так как N D в его базе наи­меньшая, а ширина области объемного заряда d наи­большая.

Гетеропереходы. В отличие от р-n перехода, образованного измене­нием концентрации примесей в одном полупроводнико­вом материале (гомопереход), гетеропереходом называ­ют переход, образованный полупроводниками различной физико-химической природы. Примерами гетероперехо­дов могут быть переходы германий - кремний, герма­ний -арсенид галлия, арсенид галлия - форсфид гал­лия и т. д. Для получения гетеропереходов с мини­мальным количеством дефектов на границе раздела кристаллическая решетка одного полупроводника дол­жна с минимальными нару­шениями переходить в кристаллическую решетку дру­гого. В связи с этим полу­проводники, используемые для создания гетероперехо­да, должны иметь близкие значения постоянной решет­ки и идентичные кристалли­ческие структуры. Наиболь­ший практический интерес представляют в настоящее время гетеропереходы, об­разованные полупроводни­ками с различной шириной запрещенной зоны, причем интересными свойствами для полупроводниковых приборов обладают не только гетеропереходы между полупроводниками р- и n-типа, но также и гетеропереходы между полупроводниками с одним типом проводимости: n-n или р-р.

Рассмотрим энергетическую диаграмму гетеропере­хода между полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной и полупроводником р-типа с уз­кой запрещенной зоной (рис. 4.4). За начало отсчета (0) принята энергия электрона, находящегося в ваку­уме. Величина χ в данном случае - истинная работа выхода электрона. из полупроводника в вакуум. Термодинамическая рабо­та выхода обозначена А.

При создании контакта между двумя полупроводни­ками уровни Ферми выравниваются. Отличия гетероперехода от энерге­тической диаграммы р-n перехода заключаются в наличии разрывов в зоне проводимости (ΔE C )и в валент­ной зоне (ΔE V). В зоне. проводимости величина разры­ва обусловлена разностью истинных работ выхода элек­тронов из р и n полупроводников:

ΔE C = χ 2 – χ 1 (4.26)

а в валентной зоне, кроме этого, еще и неравенством значений энергий E V .

Поэтому потенциальные барьеры для электронов и дырок будут различными: потенциаль­ный барьер для электронов в зоне проводимости мень­ше, чем для дырок в валентной зоне. При подаче напря­жения в прямом направлении потенциальный барьер для электронов уменьшится и электроны из n -полупро-водника инжектируются в р -полупроводник. Потенци­альный барьер для дырок в р -области также уменьшит­ся, но все же останется достаточно большим для того, чтобы инжекции дырок из р -области в n -область прак­тически не было. В этом случае коэффициент инжекции (γ) может быть равным единице.

Рис. 4.4. Энергетическая диа­грамма двух полупроводников р- и n-типа с различной шири­ной запрещенной зоны (а) и р –n гетероперехода (б)

Для достижения лучших параметров прибора эта вели­чина должна быть максимальной. В гомопереходе это достигается более сильным легиро­ванием примесями n-области относительно р-области. Однако по этому пути нельзя идти бесконеч­но, так как, с одной стороны, существует предел рас­творимости примеси в полупроводнике и, с другой, при сильном легировании полупроводника в него одновре­менно с примесью вносится множество различных де­фектов, которые ухудшают параметры р-n перехода. В этом направлении перспективным является использо­вание гетероперехода.

Если гетеро­переход образован полупроводниками с равным количе­ством примесей (п п =p p ) и для простоты считать, что эффективные массы и другие параметры носителей за­ряда равны, то можно написать

I p /I n =exp[-(E gn –E g p )/kT] (4.27)

При использовании, например, n-кремния и р-германия E gn –E gp =0,4 эВ. Так как kT/q=0,025 В, то 1 р /1 п = е - 16 , что практически равно нулю, т. е. ток через гетеропере­ход состоит только из электронов, инжектированных из n- области в р -область. В гомопереходе при этих же условиях I р /I n =:1, т. е. токи электронов и дырки равны.

Таким образом, гетеропереход позволяет осуществ­лять практически одностороннюю инжекцию носителей заряда. Существенно отметить, что односторонняя ин-жекция сохраняется и при увеличении тока через гете­ропереход, тогда как в гомопереходе она нарушается.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость " p" – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.

Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода :

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

Граница соприкосновения двух полупро­водников, один из которых имеет элек­тронную, а другой - дырочную проводи­мость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n -переходом). Эти пере­ходы имеют большое практическое значе­ние, являясь основой работы многих полу-

проводниковых приборов. p-n-Переход не­льзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обыч­но области различной проводимости со­здают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл герма­ния n-типа накладывается индиевая «таб­летка» (рис. 335, a). Эта система нагрева­ется примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно ох­лаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход (рис. 335, б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.336). Пусть донорный полупроводник (работа выхода - А n , уровень Ферми - E F) при­водится в контакт (рис. 336, б) с акцеп­торным полупроводником (работа выхо­да - Ар, уровень Ферми - E F ). Электро­ны из n-полупроводника, где их кон­центрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направле­нии р n.

В n-полупроводнике из-за ухода элек­тронов вблизи границы остается неском­пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 336, а).

Эти объемные заряды обра­зуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальней­шему переходу электронов в направлении nр и дырок в направлении p n. Если концентрации доноров и акцепторов в по­лупроводниках n - и p-типа одинаковы, то толщины слоев d 1 и d 2 (рис. 336, в), в ко­торых локализуются неподвижные заряды, равны (d 1 =d 2).

При определенной толщине p-n-перехода наступает равновесное состояние, ха­рактеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 336, в). В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в ре­зультате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера е определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полу­проводниках. Все энергетические уровни

акцепторного полупроводника подняты от­носительно уровней донорного полупро­водника на высоту, равную е, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n-перехода в полу­проводниках составляет примерно 10 -6 - 10 -7 м, а контактная разность потенциа­лов - десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность по­тенциалов лишь при температуре в не­сколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризу­ется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое по­ле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 337, а), т. е. со­впадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возра­стет. Направление внешнего поля, расши­ряющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направ­лении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запираю­щем слое в запирающем направлении об­разуется лишь за счет неосновных носите­лей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 337, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контакт­ного слоя и его сопротивление уменьшают­ся. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется про­пускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) об­ладает односторонней (вентильной) про­водимостью.

На рис. 338 представлена вольт-ампер­ная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (пря­мом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных но­сителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответ­ственно уменьшается и сопротивление пе­рехода (тем сильнее, чем больше напря­жение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 338). Это направле­ние тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напря­жении внешнее электрическое поле пре-

пятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 337, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контакт­ного слоя, обедненного основными носите­лями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в дан­ном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется об­ратным), полностью обусловленный неос­новными носителями тока (левая ветвь рис. 338). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь пере­менного тока p-n-переходы действуют как выпрямители.